[논문]방사선을 이용한 전기 활성 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔 소프트 액추에이터의 제조 및 구동 특성 분석

신예린; 김소연

doi:10.14478/ace.2019.1081

방사선을 이용한 전기 활성 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔 소프트 액추에이터의 제조 및 구동 특성 분석
Synthesis of Electroactive PAAc/PVA/PEG Hydrogel Soft Actuator by Radiation Processing and Their Dynamic Characteristics 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.6, 2019년, pp.698 - 706

신예린 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 김소연 (충남대학교 에너지과학기술대학원)

초록
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지난 수십 년 동안, 외부 자극에 대한 응답성이 우수하면서도 인체에 적용할 수 있는 소프트 액추에이터 개발을 위한 많은 노력이 이어졌다. 본 연구에서는 동역학적 정밀 제어가 가능한 의료용 소프트 액추에이터를 개발하기 위해, 유해한 화학적 첨가제나 개시제 없이 방사선을 이용하여 전기 자극 반응성과 물리적 특성이 우수한 3차원 가교 구조의 poly(acrylic acid) (PAAc)/poly(vinyl alcohol) (PVA)/poly(ethylene glycol) (PEG) 하이드로겔을 합성하였다. 방사선 조사 후, 모든 하이드로겔은 75% 이상의 겔 분율을 나타내었고, 표면 반사 적외선 분광법을 통해 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔이 성공적으로 합성되었음을 확인하였다. 또한 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 겔 분율, 평형 수분 함량, 압축 강도를 측정하여 감마선의 총 조사 선량과 구성 성분의 함량비 조절에 따른 하이드로겔의 물리적 특성 변화를 확인하였다. 조사된 감마선의 선량이 증가하거나 poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA)의 함량이 많을수록 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔은 높은 가교 밀도와 우수한 기계적 강도를 나타내었다. 또한 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔은 3 V의 저전압에서도 전기적인 자극에 반응하였고, 전기장 하에서 이동성 이온의 움직임에 따른 하이드로겔의 밴딩 거동은 하이드로겔의 가교 밀도, 이온기의 함량, 인가 전압 및 전해질 용액의 이온 농도 등을 조절함으로써 제어할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Over the last few decades, there have been a lot of efforts to develop soft actuators, which can be external stimuli-responsive and applied to the human body. In order to fabricate medical soft actuators with a dynamic precision control, the 3D crosslinked poly(acrylic acid) (PAAc)/poly(vinyl alcohol) (PVA)/poly(ethylene glycol) (PEG) hydrogels were synthesized in this study by using a radiation technique without noxious chemical additives or initiators. After irradiation, all hydrogels showed high gel fraction over 75% and the ATR-FTIR spectra indicated that PAAc/PVA/PEG hydrogels were successfully synthesized. In addition, the gel fraction, equilibrium water content, and compressive strength were measured to determine the change in physical properties of PAAc/PVA/PEG hydrogels according to the irradiation dose and content ratio of constituents. As the irradiation dose and amount of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) increased, the PAAc/PVA/PEG hydrogels showed a high crosslinking density and mechanical strength. It was also confirmed that PAAc/PVA/PEG hydrogels responded to electrical stimulation even at a low voltage of 3 V. The bending behavior of hydrogels under an electric field can be controlled by changing the crosslinking density, ionic group content, applied voltage, and ionic strength of swelling solution.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Composition and γ-ray Irradiation Dose of PAAc/PVA/PEG Hydrogels
그림 Figure 1. ATR-FTIR spectra of (A) (a) AAc, (b) PVA; (B) (a) PAAc/PVA/PEG37-0-20k, (b) PAAc/PVA/PEG55-0-20k; (C) (a) PAAc/PVA/PEG37-3-40k, (b) PAAc/PVA/PEG55-3-40k.
$Figure 2. Gel fraction of (A) PAAc/PVA/PEG37, (B) PAAc/PVA/PEG55.$ 그림 Figure 2. Gel fraction of (A) PAAc/PVA/PEG37, (B) PAAc/PVA/PEG55.
그림 Figure 3. Equilibrium water content of (A) PAAc/PVA/PEG37, (B) PAAc/PVA/PEG55, compressive strength of (C) PAAc/PVA/PEG37, (D) PAAc/PVA/PEG55.
표 Table 2. Gel Fraction, EWC, and Compressive Strength of PAAc/PVA/PEG Hydrogels
그림 Figure 4. (A) Experimental set-up for bending angle measurement of PAAc/PVA/PEG hydrogel; (B) Photographs of PAAc/PVA/PEG55-1-40k in 0.025 M NaCl electrolyte solution at 10 V voltage (a) 0 s, (b) 20 s, (c) 40 s, (d) 60 s.
그림 Figure 5. Bending kinetics of PAAc/PVA/PEG hydrogels in PBS electrolyte solution at 10 V voltage: (A) PAAc/PVA/PEG37, (B) PAAc/PVA/PEG55, (C) maximum bending angle of PAAc/PVA/PEG37 and PAAc/PVA/PEG55 at 180 s depending on PEGDA content (PEGDA content, 1 = 0.0228 mmol, 2 = 0.0456 mmol, 3 = 0.0913 mmol).
그림 Figure 7. Bending kinetics of PAAc/PVA/PEG hydrogels as a function of the applied voltage (0, 3, 5, and 10 V) in PBS electrolyte solution: (A) PAAc/PVA/PEG37-1-40k, (B) PAAc/PVA/PEG55-1-40k, (C) maximum bending angle of PAAc/PVA/PEG37-1-40k and PAAc/PVA/PEG55-1-40k at 180 s depending on applied voltage.
그림 Figure 8. Bending kinetics of PAAc/PVA/PEG hydrogels depending on the ionic strength NaCl electrolyte solution (0.025, 0.05, 0.1, and 0.2 M) at 10 V voltage: (A) PAAc/PVA/PEG37-1-40k, (B) PAAc/PVA/PEG55-1-40k, (C) maximum bending angle of PAAc/PVA/PEG37-1-40k and PAAc/PVA/PEG55-1-40k at 180 s depending on the concentration of NaCl electrolyte solution.
그림 Figure 6. (A) Bending kinetics of PAAc/PVA/PEG55-3 as a function of γ-ray irradiation dose in PBS electrolyte solution at 10 V voltage, (B) maximum bending angle of PAAc/PVA/PEG55-3 at 180 s depending on γ-ray irradiation dose.

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 인체에 적용할 수 있는 소프트 액추에이터 개발을 위해서는 저전압 하에서 빠른 반응 시간 및 큰 굽힘 변형률과 강한 구동력을 갖는 액추에이터가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 동역학적 정밀 제어가 가능한 의료용 소프트 액추에이터를 개발하기 위해, 유해한 화학적 첨가제나 개시제 없이 방사선 기술을 이용하여 전기 자극 반응성과 물리적 특성이 우수한 3차원 가교 구조의 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔을 합성하고자 하였다. 감마선의 조사 선량과 구성 성분의 함량비를 변화하여 제조한 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 표면 분석, 겔 분율, 평형 수분 함량, 압축 강도 측정을 통해 하이드로겔의 물리화학적 특성을 확인하였다.
감마선의 조사 선량과 구성 성분의 함량비를 변화하여 제조한 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 표면 분석, 겔 분율, 평형 수분 함량, 압축 강도 측정을 통해 하이드로겔의 물리화학적 특성을 확인하였다. 또한 전기장 하에서 이온의 이동에 의한 하이드로겔의 부피 변화에 따른 밴딩 거동을 하이드로겔의 가교 밀도, 이온기의 함량, 인가 전압 및 전해질 용액의 이온 농도 등의 인자에 따라 분석함으로써 인체 적용을 위한 의료용 소프트 액추에이터로서의 응용 가능성을 살펴보았다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 동역학적 정밀 제어가 가능한 의료용 소프트 액추에이터를 개발하기 위해, 유해한 화학적 첨가제나 개시제 없이 방사선 기술을 이용하여 전기 자극 반응성과 물리적 특성이 우수한 3차원 가교 구조의 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔을 합성하고자 하였다. 감마선의 조사 선량과 구성 성분의 함량비를 변화하여 제조한 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 표면 분석, 겔 분율, 평형 수분 함량, 압축 강도 측정을 통해 하이드로겔의 물리화학적 특성을 확인하였다. 또한 전기장 하에서 이온의 이동에 의한 하이드로겔의 부피 변화에 따른 밴딩 거동을 하이드로겔의 가교 밀도, 이온기의 함량, 인가 전압 및 전해질 용액의 이온 농도 등의 인자에 따라 분석함으로써 인체 적용을 위한 의료용 소프트 액추에이터로서의 응용 가능성을 살펴보았다.

대상 데이터

Acrylic acid (AAc, 99%), poly(vinyl alcohol) (PVA, 99 +%, M_w =89,000~98,000), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA, M_n = 575) 는 Sigma-Aldrich (St. Louis, Missouri, USA)에서 구입하여 추가적인 정제 과정을 거치지 않고 그대로 사용하였다. 아래의 실험 과정에서 언급되는 물은 모두 탈이온수를 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 유해한 화학적 첨가제나 개시제 없이 방사선 기술을 이용하여 전기 자극 반응성과 물리적 특성이 우수한 3차원 가교 구조의 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔을 합성하고, 그 물리화학적 특성을 분석하여 소프트 액추에이터로서 활용 가능성을 살펴보았다. 감마선 조사를 통해 합성된 모든 하이드로겔은 75% 이상의 높은 겔 분율을 나타내었고, 조사된 감마선의 총 조사 선량이나 PEGDA 함량이 증가함에 따라 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔은 높은 가교 밀도와 우수한 기계적 강도를 나타내었다. 특히, PEGDA의 함유량이 적거나 감마선의 총 조사 선량이 낮아 하이드로겔 매트릭스 내의 가교 밀도가 낮을수록 전기장 하에서 높은 굽힘 변형률과 빠른 반응성을 나타내었다.
특히, PEGDA의 함유량이 적거나 감마선의 총 조사 선량이 낮아 하이드로겔 매트릭스 내의 가교 밀도가 낮을수록 전기장 하에서 높은 굽힘 변형률과 빠른 반응성을 나타내었다. 또한 10 V 이하의 낮은 전압에서도 충분한 전기 자극에 대한 반응성을 나타내었으며, 하이드로겔 내의 가교 밀도, 이온기의 함량, 인가된 전압의 세기 및 전해질 용액의 이온 강도 등을 조절함으로써 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 전기장 하에서의 동역학적 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 토대로 하여 앞으로의 연구에서는 하이드로겔의 유연한 특징과 생체적합성 및 자극 반응성의 장점을 이용해 좀 더 복잡하고 정교하게 제작되어 자연스럽게 생물체의 움직임을 모방하는 하이드로겔 소프트 액추에이터를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
감마선 조사를 통해 합성된 모든 하이드로겔은 75% 이상의 높은 겔 분율을 나타내었고, 조사된 감마선의 총 조사 선량이나 PEGDA 함량이 증가함에 따라 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔은 높은 가교 밀도와 우수한 기계적 강도를 나타내었다. 특히, PEGDA의 함유량이 적거나 감마선의 총 조사 선량이 낮아 하이드로겔 매트릭스 내의 가교 밀도가 낮을수록 전기장 하에서 높은 굽힘 변형률과 빠른 반응성을 나타내었다. 또한 10 V 이하의 낮은 전압에서도 충분한 전기 자극에 대한 반응성을 나타내었으며, 하이드로겔 내의 가교 밀도, 이온기의 함량, 인가된 전압의 세기 및 전해질 용액의 이온 강도 등을 조절함으로써 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 전기장 하에서의 동역학적 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 10 V 이하의 낮은 전압에서도 충분한 전기 자극에 대한 반응성을 나타내었으며, 하이드로겔 내의 가교 밀도, 이온기의 함량, 인가된 전압의 세기 및 전해질 용액의 이온 강도 등을 조절함으로써 PAAc/PVA/PEG 하이드로겔의 전기장 하에서의 동역학적 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 토대로 하여 앞으로의 연구에서는 하이드로겔의 유연한 특징과 생체적합성 및 자극 반응성의 장점을 이용해 좀 더 복잡하고 정교하게 제작되어 자연스럽게 생물체의 움직임을 모방하는 하이드로겔 소프트 액추에이터를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트 액추에이터가 기존 액추에이터 시스템의 한계를 극복할 수 있는 이유가 무엇인가?	자연에서 관찰할 수 있는 사람이나 동물의 움직임에는 근육과 같이 유연한 구성 요소가 필수적인데, 기존의 단단한 액추에이터 시스템으로 이러한 움직임을 복제하는 것은 어려운 일이며 복잡한 메커니즘과 많은 양의 액추에이터를 필요로 한다. 그에 비해 소프트 액추에이터는 부드러운 재료를 이용하여 굽힘(bending), 비틀림(twisting), 확장(extension), 굴곡(flexion)과 같은 기능을 갖춘 생체 모방 운동을 재현할 수 있다[3]. 기계적인 특성과 제어 특성을 모두 만족시키는 소프트 액추에이터를 개발하기 위해서는 빛, 전기, 자기장과 같은 자극제, 작동 속도 및 응답 시간, 작동 환경, 생체적합성과 생분해성, 내구성과 피로 저항, 재료점탄성 등을 모두 고려해야 한다[1].
	소프트 액추에이터란?	소프트 액추에이터는 원하는 힘과 동작을 구현하기 위해 외부의 자극에 의해 활성화될 수 있는 변형이 가능한 재료 또는 복합재로 이루어진 물체로 정의할 수 있으며, 보다 손쉬운 변형을 위해서 소프트 액추에이터의 대다수는 탄성 계수가 낮은 재료나 유체가 포함된 재료로 구성되어 있다[1]. 소프트 액추에이터는 이러한 재료적 특성 때문에 무게가 가볍고, 제조비용이 낮으며, 주변 환경에 대해 많은 자유도와 높은 적응성을 보이는 장점을 가지고 있으며, 다양한 전문 지식과 함께 진화하는 연구 분야로서 부상하고 있다.
	소프트 액추에이터의 장점은?	소프트 액추에이터는 원하는 힘과 동작을 구현하기 위해 외부의 자극에 의해 활성화될 수 있는 변형이 가능한 재료 또는 복합재로 이루어진 물체로 정의할 수 있으며, 보다 손쉬운 변형을 위해서 소프트 액추에이터의 대다수는 탄성 계수가 낮은 재료나 유체가 포함된 재료로 구성되어 있다[1]. 소프트 액추에이터는 이러한 재료적 특성 때문에 무게가 가볍고, 제조비용이 낮으며, 주변 환경에 대해 많은 자유도와 높은 적응성을 보이는 장점을 가지고 있으며, 다양한 전문 지식과 함께 진화하는 연구 분야로서 부상하고 있다. 무엇보다도 소프트 액추에이터는 생체 기반 및 생체 모방 시스템에 활용할 수 있다는 점이 가장 중요한 특징이다[2].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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